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System zur Fernübertragung von Signalen über ein Wechselspannungsnetz
Die Erfindung betrifft ein System zur Fernübertragung von Signalen über ein Wechselspannungsnetz, bei welchem die Signale der Netzspannung überlagert sind, mit mindestens einem, wenigstens einen Signalgeber enthaltenden Sender und mit einer Signal-Empfangseinrichtung, wobei in jedem Signalgeber ein elektrischer Schwingkreis angeordnet und in Reihe mit einem Kontakt eines für die Signaldauer be- tätigten Impulsgebers an das Netz angeschaltet ist, gemäss Patent Nr. 241589. Derartige Systeme eignen sich für Fernsteuer- und Femzähl-Anlagen mit mehreren, örtlich verstreut angeordneten Signalgebern.
In der Rundsteuertechnik werden im allgemeinen einem Energieversorgungsnetz Signale als in besonderen Tonfrequenz-Generatoren erzeugte Spannungen überlagert ; im Empfänger kann diese Tonfrequenzspannung zur Erzielung von Rückmeldesignalen moduliert werden-wobei sie dem Netz für die gesamte Dauer der Rückmeldung überlagert sein muss.
Bekanntlich können aber Rundsteuersignale auch ohne zu- sätzlichen Tonfrequenz-Generator durch Anschalten eines elektrischen Schwingkreises oder auch nur eines Kondensators allein-der dann mit der Netz-Induktivität einen Schwingkreis bildet-an ein Wechselspannungsnetz erzeugt werden, wobei der Lade- und Entladevorgang des im Takt der Netzfrequenz angeschalteten Schwingkreises mittelfrequente oder hochfrequente Ausgleichschwingungen hervorruft, diesich in dem betreffenden Netzkomplex als Wechselstromsignale ausbreiten und, durch elektrische Filterkreise vom Netzwechselstrom getrennt, in Empfängern ausgewertet werden können.
In Rundsteueranlagen sind wegen der vielfältigen, im Netz auftretenden Störspannungen zur Erzielung einer hinreichenden Übertragungssicherheit grosse Sendeleistungen erforderlich ; aus diesem Grunde können in Anlagen mit mehreren Signalgebern für unterschiedliche Signale diese bekannten Rundsteuereinrichtungen zur Fernübertragung praktisch nicht verwendet werden, weil dann jeder Signalgeber als sehr leistungsfähiger Sender ausgebildet sein müsste.
Nach dem Stammpatent sind daher Femübertragungssysteme der eingangs beschriebenen Art derart ausgebildet, dass jeder Impulsgeber des Signalsenders wenigstens eine Anschaltimpulsfolge erzeugt, bei welcher das Intervall aufeinanderfolgender Impulse innerhalb einer Impulsfolge ungleich dem einfachen Wert oder ganzzahligen Vielfachen der halben Periode des Trägemetzes ist, und dass in der Signalemp-
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Ankopplungs-, Sieb-und Demodulationsgliedem -für jedelektiyfilter angeordnet ist.
Dadurch können im Empfänger selbst sehr schwache Signale einwandfrei und eindeutig von allen im Netz gewöhnlich auftretenden Störgrössen getrennt werden, so dass in galvanisch verbundenen Bezirken des Netzes bereits mit Sendeleistungen von nur einigen Watt-also mit sehr niedrigem Sendepegel und daher mit äusserst einfachen Sendern-eine zuverlässige Signalübertragung möglich ist.
Weiters ist nach dem Stammpatent vorgesehen, dass in diesem Fernübertragungssystem der Impulseber mindestens zwei Kontakte unterschiedlicher Anschaltimpulsfrequenz zur Erzeugung von entsprechenden
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Modulationsfrequenzen enthält, welche wechselweise über einen als Umschalter ausgebildeten Signal- kontakt des Signalgebers in Reihe mit dem Schwingkreis an das Versorgungsnetz anschaltbar sind.
Nach der Erfindung werden nun Fernübertragungssysteme dieser zuletzt genannten Bauart derart vor- teilhaft ausgestaltet, dass in jedem Signalgeber der elektrische Schwingkreis mindestens zwei wählbare
Eigenschwingungszahlen hat, von denen wenigstens eine je einem der Kontakte des Impulsgebers zuge- ordnet ist, und dass ferner im Signalempfänger selektive Auswerteglieder für jede Trägerfrequenz und deren Modulation angeordnet sind. Dadurch wird die Übertragungssicherheit solcher Systeme bzw. die mit denselben übertragbare Informationsmenge ohne besondere zusätzliche Hilfsmittel weiter wesentlich erhöht und der Sendepegel allenfalls noch weiter gesenkt.
Bei diesem Signalgeber ist nun zweckmässig an der Spule des Schwingkreises ein Wicklungsende mit einem Kontakt und eine Anzapfung mit einem zweiten Kontakt des Impulsgebers elektrisch verbunden ; vorzugsweise ist dabei mittels eines Umschalters die Zuordnung beider Kontakte des Impulsgebers zu bei- den Anschlüssen der Schwingkreisspule vertauschbar.
In der Zeichnung ist zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Femübertragungssystems in Fig. 1 ein Spannungsdiagramm und in Fig. 2 ein Schaltschema dargestellt.
In einem Wechselspannungsnetz beträgt die Frequenz z. B. 50 Hz und die Periodendauer somit 20 ms ; beim Anschalten eines aus einem induktiven und einem kapazitiven Glied bestehenden elektrischen Schwingkreises an das Netz bildet sich ein Wechselstrom mit einer durch die Eigenfrequenz dieses Kreises vorgeschriebenen Frequenz aus, dessen Erstamplitude dem zum Zeitpunkt der Anschaltung anliegenden Momentanwert der Netzspannung proportional und dessen logarithmisches Dekrement von der Dämpfung des Schwingkreises abhängig ist.
Beim Abschalten des Schwingkreises besitzt das kapazitive Glied dieses Schwingkreises eine Ladung, deren Polarität und Grösse dem zum Zeitpunkt der Abschaltung anliegenden Momentanwert der Netzspannung entspricht. Um nun einen möglichst grossen Einschaltstromstoss zu erzielen, erfolgt die nächste Anschaltung des Schwingkreises vorteilhaft in einer Halbwelle der Netzspannung mit entgegengesetzter Polarität, erfindungsgemäss jedoch bei einem andern Betrag des Momentanwertes der Netzspannung als die vorausgehende Anschaltung. In der Fig. 1 ist dies veranschaulicht.
Beispielsweise fällt der Zeitpunkt tl der ersten Anschaltung mit dem Scheitelwert einer positiven Halbwelle (+) der Netzspannung U, der Zeitpunkt der Abschaltung tz mit dem Scheitelwert der nächstfolgenden positiven Halbwelle zusammen ; die Anschaltdauer A des Schwingkreises beträgt dann eine Periodendauer der Netzspannung, also 20 ms. Die zweite, nach einer Impulspause P folgende Anschaltung setzt nun erst einen kleinen Zeitbetrag Z, z. B. 2 ms, nach dem Auftreten des Scheitelwertes der auf die positive Halbwelle (+), bei der abgeschaltet wurde, folgenden negativen Halbwelle (-) der Netzspannung ein ; die Periodendauer T einer Anschaltung, das ist der zeitliche Abstand der einzelnen Anschaltimpulse, ist beim gewählten Beispiel demnach 52 ms, Anschaltdauer A und Impulspause P sind also unterschiedlich bemessen.
Im vorgetragenen Beispiel fällt der Zeitpunkt der Anschaltung nach jeweils fünf Anschaltperioden, entsprechend einem Zeitraum von 160 ms, mit homologen Momentanwerten der Netzspannung zusammen. In diesem Zeitraum ändert sich der Betrag der Erstamplitude des Einschaltstromstosses zwischen einem Höchstwert und einem Wert gleich oder nahe bei Null, je nach dem Betrag des Momentanwertes der Netzspannung zum Zeitpunkt der ersten Anschaltung innerhalb einer Serie von Anschaltimpulsen. Der Einschaltstrom des Schwingkreises ist also im besprochenen Beispiel mit (160 mus)-1 = 6, 25 Hz praktisch zu 100 % moduliert. Durch Wahl beliebiger Anschaltperioden T im Rahmen dieser Bemessungsregel lassen sich ebenso andere Modulationsfrequenzen des Einschaltstromes erzielen, z. B. 4 Hz.
Ein Beispiel für die praktische Ausführung und Anwendung der Erfindung zeigt Fig. 2.
Als Fernwirkkanal dient ein Niederspannungsnetz 1, beispielsweise ein Bezirksnetz der öffentlichen Stromversorgung, das von einem Verteiltransformator 2 gespeist wird. Die Fernwirkaufgabe besteht in der Übertragung des elektrischen Zustandes von Signalkontakten einer grossen Anzahl von Signalgebern an eine zentrale Empfangsstelle. Als Signalgeber dienen Mengenmesser zur Messung des Verbrauches von öffentlichen Verbrauchsgütem, wie Gas, Wasser, Elektrizität.
In Fig. 2 ist als Signalgeber 3 ein Elektrizitätszähler angedeutet, der jeweils nach Messung einer bestimmten Verbrauchsmenge, einen Signalkontakt 4 von einem Kontaktelement 5 auf ein Kontaktelement 6 umschaltet und umgekehrt. Der Elektrizitätszähler misst die in einem Verbraucher 7 umgesetzte elektrische Arbeit.
Dem Signalgeber 3 ist als Sendeeinrichtung ein aus einem Kondensator 8 und aus einer eine Anzapfung 9 aufweisenden Spule 10 bestehender elektrischer Reihenschwingkreis sowie ein Impuls-
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geber 11 zugeordnet. Der Impulsgeber 11 besitzt z. B. drei über Zahnradpaare 12,13, 14 ge- kuppelte Wellen 15,16, 17 mit unterschiedlichen Drehzahlen, die in einem festen Verhältnis zur
Drehzahl einer von einem Uhrwerk oder, wie gezeichnet, von einem Synchronmotor 18 bewegten An- triebswelle 19 stehen.
Auf der Welle 15 ist eine Nockenscheibe 20 befestigt, die auf einen ersten Impulskontakt 21 wirkt,. während die Welle 16 eine Nockenscheibe 22 zur Betätigung eines zweiten Impulskontaktes
23 trägt. Auf der Welle 17 schliesslich sind zwei Nockenscheiben 24 und 25 angeordnet, deren erste einen Motorkontakt 26 und deren zweite einen Hauptkontakt 27 steuert. Die Nockenscheibe
25 kann mittels einer Rutschkupplung 28 oder mittels einer Stellschraube gegenüber der Nocken- scheibe 24 von Hand verdreht werden.
Die soeben beschriebenen Teile sind wie folgt in eine elektrische Schaltung einbezogen :
Eine Abzweigleitung 29 ist einphasig an das Niederspannungsnetz 1 angeschlossen. Von einem
Phasenleiter der Abzweigleitung 29 führt eine Verbindungsleitung 30 über den Hauptkontakt 27 zum Kondensator 8 des Reihenschwingkreises 8,10 und von einem Spulenende 31 der Spule 10 über den ersten Impulskontakt 21 zum Kontaktelement 5 des Signalkontaktes 4, während die An- zapfung 9 der Spule 10 über den zweiten Impulskontakt 23 mit dem Kontaktelement 6 des Si- gnalkontaktes 4 verbunden ist, dessen Schaltarm über eine Leitung 32 am Nulleiter 0 der Ab- zweigleitung 29 liegt.
Der Signalgeber 3 ist ebenfalls an die Abzweigleitung 29 angeschlossen, welche auch die Be- triebsspannung für den Synchronmotor 18 einerseits über die Verbindungsleitung 30, einen Steuer- kontakt 33, eine Leitung 34 und anderseits über eine Anschlussleitung 35 liefert. Der Motor- kontakt 26 liegt elektrisch parallel zum Steuerkontakt 33, welcher von einer Schaltuhr oder von einem mit dem Niederspannungsnetz 1 verbundenen Rundsteuerempfänger 36 betätigt wird. Falls eine Schaltuhr angeordnet ist, kann diese auch als Antrieb für den Impulsgeber 11 dienen ; Schaltuhr oder Fernsteuerempfänger 36 werden durch die beschriebene Fernwirkeinrichtung in der Regel nur mit- benutzt, erfüllen also auch noch andere Aufgaben, z. B. Tarifumschaltung, Ein- und Abschaltung von Verbrauchern usw., was jedoch in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.
Die vorstehend beschriebenen Teile der Figur sind am Ort eines jeden Signalgebers 3 angeordnet ; eine Schaltuhr oder ein Rundsteuerempfänger 35 kann allerdings mehrere Signalgeber 3 mit Impulsgebern 11 bedienen und weist dann entsprechend viele Steuerkontakte 33 auf.
Der bisher beschriebene Teil der Fernwirkeinrichtung arbeitet wie folgt :
Die zu übertragende Information ist im elektrischen Zustand des Signalkontaktes 4 enthalten, sie kann die Form a oder b haben, dann ist der Signalkontakt 4 ein Umschalter mit zwei Kontaktelementen 5,6. Allenfalls besitzt der Signalkontakt 4 mehr als zwei Kontaktelemente ; die Information kann dann mindestens so viele unterschiedliche Formen aufweisen, wie Kontaktelemente angeordnet sind. Im einfachsten Fall hat die Information einen Inhalt a oder Null, der Signalkontakt 4 würde dann nur ein Kontaktelement sowie eine"Aus"-Stellung aufweisen und damit einem einfachen Ein-AusKontakt entsprechen.
Jedes Kontaktelement, z. B. 5,6, des Signalkontaktes 4 ist mit einem diesem zugeordneten Impulskontakt 21 bzw. 23 verbunden, "belegt"; der Impulsgeber 11 weist also so viele Impulskontakte und diese steuernde Nockenscheiben auf, wie belegte Kontaktelemente am Signalkontakt 4 vorhanden sind.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, liegt der Schwingkreis 8,10 mit dem Signalkontakt 4 und jeweils einem der Impulskontakte 21 und 23 elektrisch in Reihe und wird bei jedem Schliessen des betreffenden Impulskontaktes an die Netzspannung angeschaltet, vorausgesetzt, dass der Hauptkontakt 27 geschlossen ist. Dabei entstehen, wie erwähnt, elektrische Ausgleichschwingungen S (Fig. 1), die sich dem Netz als Signalströme überlagern und die somit über das Netz fortgeleitet werden. Die Frequenz dieser als Träger dienenden Ausgleichschwingungen hängt davon ab, welcher der beiden Impulskontakte 21 urd 23 für die Signalgabe gerade wirksam ist, da der Schwingkreis 8,10 für jeden der Impulskontakte eine andere Abstimmung hat.
Der zeitliche Abstand T der einzelnen Anschaltimpulse und damit die Dauer eines Schaltzyklus eines Impulskontaktes ist gleich dem reziproken Produkt aus der Anzahl der Nocken der den Impulskontakt steuernden Nockenscheibe und der Drehzahl dieser Nockenscheibe. Für jede einen Impulskontakt steuernde Nocken- scheibe ist der Kehrwert des Produktes aus Drehzahl und Nockenzahl, also die Dauer einer Anschaltperiode T, unterschiedlich und ungleich dem einfachen oder ganzzahligen mehrfachen Wert der halben Periodendauer der Netzwechselspannung gewählt. Weiter oben wurde hiefür bereits ein Wert von z. B. 32 ms ge-
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nannt ; es könnten z.
B. aber auch 11 ms oder 31, 25 ms oder beliebige andere Werte sein, vorzugsweise solche, die nahe bei einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Periodendauer der Netzwechselspan- nung liegen und die in der bereits beschriebenen Weise Modulationsfrequenzen ergeben, welche von Stör- frequenzen und Netzharmonischen einen hinreichenden Abstand aufweisen.
Beim Schliessen des Steuerkontaktes 33 wird die Antriebswelle 19 des als umlaufender Nocken- schalter ausgebildeten Impulsgebers 11 in Bewegung gesetzt, sei es durch Einschalten des Synchron- motors 18 oder durch z. B. elektromagnetisches Einkuppeln der Antriebswelle 19 in einen ständig laufenden Uhrwerkantrieb, welcher der Antriebswelle 19 eine konstante Drehzahl von z. B. 50 Umdr/sec erteilt.
Kurz nach dem Start des Impulsgebers 11 schliesst der Motorkontakt 26 und hält den Antrieb, z. B. den Synchronmotor 18, für eine ganze Umdrehung der Nockenscheibe 24 erregt.
Eine festgesetzte Zeitspanne nach dem Start des Impulsgebers 11 schliesst sich der Hauptkontakt
27 für eine durch die Ausbildung der Nockenscheibe 25 bestimmte Zeitdauer, z. B. für 1, 5 sec. In dieser Zeitdauer wird der Schwingkreis 8,10 durch den jeweiligen Impulskontakt 21 oder 23 ent- sprechend dem Schaltzustand des Signalkontaktes 4 in einem für den betreffenden Impulskontakt cha- rakteristischen zeitlichen Abstand an das Netz angeschaltet. Dadurch entstehen die Signale der bereits beschriebenen Art, u. zw. in Form einer Impulsserie, deren zeitliche Länge der Zeitdauer entspricht, in welcher der Hauptkontakt 27 geschlossen ist.
Die im elektrischen Zustand des Signalkontaktes 4 enthaltene Information erscheint nunmehr im
Fernwirkkanal als eine Serie von Anschaltimpulsen einer für die Stellung des Signalkontaktes 4 charak- teristischen Trägerfrequenz. Die für die Übertragung vor allem wesentliche Erstamplitude der Anschaltimpulse ist mit einer ebenfalls für den jeweiligen Zustand des Signalkontaktes 4 charakteristischen Fre- quenz zu praktisch 100 % moduliert. beispielsweise mit 6, 25 Hz oder mit 4 Hz od. dgl., wie beschrieben.
Mit Hilfe des Rundsteuerempfängers 36 (oder einer Schaltuhr) kann die Impulsserie, also die Information, zu einem gewünschten Zeitpunkt aufgerufen werden. Es ist möglich, viele Signalgeber 3 durch einen einzigen Rundsteuerbefehl gleichzeitig aufzurufen. Im Augenblick des Aufrufes, das ist beim Schliessen des Steuerkontaktes 33, starten alle Impulsgeber 11. Durch entsprechende Einstellung der Nockenscheibe 25 ist erreicht, dass die Hauptkontakte 27 aller gestarteten Impulsgeber 11 zu verschiedenen Zeiten geschlossen sind, so dass ein Signalgeber nach dem andern seine Information abgibt, . ohne dass Überschneidungen der Informationen auftreten.
Die zeitliche Aufeinanderfolge, in der die einzelnen Signalgeber ihre Informationen abgeben, ist festgelegt und dient zur Identifikation der einzelnen Signalgeber 3. Eine zentrale Empfangsstelle 37 kennt den Zeitpunkt des Aufrufes aller in die Femwirkeinrichtung einbezogenen Signalgeber 3 und kann so jede in der Empfangsstelle eintreffende Impulsserie einem bestimmten Signalgeber 3 zuordnen.
Zur Auskopplung der Signale aus dem überlagerten Niederspannungsnetz 1 ist in der Empfangsstelle 37 ein Übertrager, z. B. ein Stromwandler 38 mit einem Arbeitswiderstand 39 angeordnet, an dessen Klemmen unter anderem die Signalwechselspannungen auftreten. Diese gelangen über Bandfilter 40 und 41, in welchen die ausserhalb der gewünschten Frequenzbänder liegenden Spannungen ausgesiebt werden, und über Verstärker 42 und 43 zu Demodulatoren 44 und 45. Die demodulierte Spannung wird nun Korrelationssystemen, z. B. an sich bekannten Ringmodulatoren 46 und 47 zugeführt.
Jedes der Bandfilter ist für eine der möglichen Trägerfrequenzen bzw. deren durch die Modulation erzeugte Seitenbänder durchlässig, während die Schaltfrequenz je eines der Ringmodulatoren 46, 47 identisch mit je einer der vom Impulsgeber 11 erzeugten Modulationsfrequenzen ist, so dass am Ausgang des Ringmodulators eine Gleichspannung entsteht, wenn ein der Schaltfrequenz des Ringmodulators entsprechendes Signal im Femwirkkanal anliegt. Diese Gleichspannung wird in einem Integrationsglied 48 bzw. 49 geglättet und über einen Verstärker 50 bzw. 51 einem Relais 52 bzw. 53 mit je einem Arbeitskontakt 54 bzw. 55 zugeführt.
Jeder der in der erwähnten Betriebsart als stark selektives Filter wirkenden Ringmodulatoren 46 und 47 besteht mit Vorteil aus zwei parallel arbeitenden Korrelationssystemen, wobei der Kontaktzyklus des ersten Systems gegenüber dem des zweiten um 900 phasenverschoben ist, so dass zwischen der Signalspannung und den Kontaktzyklen der Ringmodulatoren ohne Nachteil jede beliebige Phasenverschiebung auftreten kann.
In der Empfangsstelle 37 muss für jede Trägerfrequenz ein Bandfilter und für jedes belegte Kontaktelement (z. B. 5 ; 6) des Signalkontaktes 4 ein Paar von Korrelationssystemen und je ein diesen nachgeschaltetes Relais (z. B. 52 ; 53) angeordnet sein.
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Auf Grund der bisherigen Erläuterungen ist einzusehen, dass die Schaltstellung aller in der Empfangs- stelle befindlichen Arbeitskontakte 54 ; 55 in einem definierten Zeitmoment eine Darstellung des elek- trischen Zustandes des Signalkontaktes 4 eines ganz bestimmten Signalgebers 3 der Fernwirkeinrich- tung darstellt. Diese Schaltstéllung der Arbeitskontakte 54 ; 55 wird nun in der Empfangsstelle 37 ent- sprechend ausgewertet.
An Stelle des in der Figur gezeigten Impulsgebeis 11 sind selbstverständlich auch andersartige me- chanische Steuervorrichtungen für die Impulskontakte 21,23 denkbar ; die Erzeugung der Anschaltim- pulse kann auch durch rein elektronische Schaltglieder erfolgen, desgleichen mit Hilfe von Schwingzun- genkontakten bzw. durch von Stimmgabeln gesteuerte Impulskontakte. Schliesslich ist es auch möglich, dem Signalkontakt 4 selbst durch Stimmgabel- oder Schwingzungensteuerung Eigenschaften eines Im- pulskontaktes zu geben, der in jeder Schaltstellung durch mechanische Verstimmung des Schwingsystems unterschiedliche Impulsfolgefrequenzen erzeugt. Auch die beschriebene Ausbildung der Empfangseinrich- tungen erlaubt mannigfache Abwandlungen im Rahmen äquivalenter Mittel.
Im vorstehenden wurde gezeigt, dass es auf Grund der Erfindung nunmehr möglich ist, mit sehr ein- fachen Sende- und Empfangseinrichtungen geringer Leistung Informationen über einen bereits vorhandenen und weitverzweigten, jedoch zahlreichen Störeinflüssen ausgesetzten Fernwirkkanal, wie ihn ein Vertei- lungsnetz für elektrische Energie darstellt, zuverlässig in beliebiger Richtung, also insbesondere auch ent- gegen der Flussrichtung der Netzenergie, zu übertragen. Störspannungen, die innerhalb des von den Band- filtern 40 und 41 der Empfangsstelle 37 durchgelassenen Frequenzbandes liegen, können die Informationsübertragung nur dann beeinträchtigen, wenn sie ebenfalls mit einer der für die Signale gewählten
Modulationsfrequenzen moduliert sind und genügend lange Zeit andauern, z. B. eine Sekunde, wofür die
Wahrscheinlichkeit äusserst gering ist.
Durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Umschalter könnten beispielsweise zu Kontrollzwecken der Impulskontakt 21 mit der Anzapfung 9 und der Impulskontakt 23 mit dem Ende 31 der Spule 10 des Reihenschwingkreises verbunden werden. Diese Massnahme lässt sich natürlich auch zur Erhöhung der übertragbaren Informationsmenge anwenden.
Durch einfache Schaltungsmassnahmen kann mit den an sich in beliebiger Zahl vorsehbaren Trägerund Modulationsfrequenzen eine Vielfalt von Kombinationen gebildet werden, die natürlich bei der Wahl der Auswerteglieder des Signalempfängers 37 zu berücksichtigen sind, so dass sich mit dieser einfachen Einrichtung allenfalls bereits ohne Zuhilfenahme einer Kodierung der gesendeten Impulsreihen mehrstellige Zahlenwerte übertragen lassen.
Zur Veränderung der Eigenschwingungszahl des Schwingkreises 8,10 sind ausser der Anzapfung der Spule natürlich alle bekannten Massnahmen anwendbar, z. B. eine Änderung der Kapazität des Kondensators 8 oder eine Änderung eines Luftspaltes in einem Eisenkern der Spule 10. Besonders durch die zuletzt genannte Massnahme ergibt sich die zusätzliche Möglichkeit, an Stelle der Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz dieser auch eine Frequenzmodulation zu erteilen oder beide Modulationsarten gleichzeitig anzuwenden.
Dies kann ebenfalls durch mindestens eine Nockenscheibe geschehen, die nach den hier für die Erzielung einer Amplitudenmodulation gegebenen Regeln ein Modulationsglied betätigt und damit auf rein mechanischem Wege durch Luftspaltänderung oder durch Zu- und Abschaltung von elektrischen Gliedern, eine periodische Verstimmung des Schwingkreises 8,10 erzeugt. Die Referenzfrequenz der Korrelationssysteme 46,47 des Signalempfängers 37 ist dann der verwendeten Modulationsart anzupassen.
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System for the remote transmission of signals over an alternating voltage network
The invention relates to a system for remote transmission of signals via an AC voltage network, in which the signals of the network voltage are superimposed, with at least one transmitter containing at least one signal transmitter and with a signal receiving device, an electrical oscillating circuit being arranged in each signal transmitter and in series with a contact of a pulse generator activated for the duration of the signal is connected to the network, according to patent no. 241589. Systems of this type are suitable for remote control and remote counting systems with several locally scattered signal generators.
In ripple control technology, signals are generally superimposed on a power supply network as voltages generated in special audio frequency generators; In the receiver, this audio frequency voltage can be modulated to achieve feedback signals - it must be superimposed on the network for the entire duration of the feedback.
As is known, ripple control signals can also be generated in an alternating voltage network without an additional audio frequency generator by connecting an electrical oscillating circuit or just a capacitor alone - which then forms an oscillating circuit with the mains inductance. The charging and discharging process is synchronized The oscillating circuit connected to the mains frequency causes medium-frequency or high-frequency compensation oscillations, which propagate in the relevant network complex as alternating current signals and, separated from the mains alternating current by electrical filter circuits, can be evaluated in receivers.
In ripple control systems, large transmission powers are required because of the diverse interference voltages that occur in the network in order to achieve adequate transmission reliability; For this reason, these known ripple control devices can practically not be used for remote transmission in systems with several signal transmitters for different signals, because then each signal transmitter would have to be designed as a very powerful transmitter.
According to the parent patent, remote transmission systems of the type described at the beginning are designed in such a way that each pulse generator of the signal transmitter generates at least one switch-on pulse sequence in which the interval of successive pulses within a pulse sequence is not equal to the simple value or integer multiples of half the period of the carrier network, and that in the Signal em-
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Coupling, filter and demodulation elements -for jedelektiyfilter is arranged.
As a result, even very weak signals can be perfectly and clearly separated in the receiver from all disturbance variables that usually occur in the network, so that in galvanically connected areas of the network with transmission powers of only a few watts - i.e. with a very low transmission level and therefore with extremely simple transmitters reliable signal transmission is possible.
Furthermore, it is provided according to the parent patent that in this remote transmission system the impulse transmitter has at least two contacts with different switch-on pulse frequencies to generate corresponding
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Contains modulation frequencies which can be alternately connected to the supply network in series with the oscillating circuit via a signal contact of the signal generator designed as a changeover switch.
According to the invention, long-distance transmission systems of this last-named type are advantageously designed in such a way that at least two selectable electrical oscillating circuits in each signal transmitter
Has natural oscillation numbers, of which at least one is assigned to one of the contacts of the pulse generator, and that, furthermore, selective evaluation elements for each carrier frequency and its modulation are arranged in the signal receiver. As a result, the transmission reliability of such systems or the amount of information that can be transmitted with them is further significantly increased without special additional aids and the transmission level is at most reduced even further.
In this signal transmitter, one winding end is expediently electrically connected to a contact on the coil of the resonant circuit and a tap is electrically connected to a second contact of the pulse transmitter; Preferably, the assignment of the two contacts of the pulse generator to the two connections of the resonant circuit coil can be interchanged by means of a changeover switch.
The drawing shows a voltage diagram for an exemplary embodiment of the remote transmission system according to the invention in FIG. 1 and a circuit diagram in FIG. 2.
In an alternating voltage network, the frequency is z. B. 50 Hz and the period thus 20 ms; When an electrical oscillating circuit consisting of an inductive and a capacitive element is connected to the network, an alternating current forms with a frequency prescribed by the natural frequency of this circuit, the first amplitude of which is proportional to the instantaneous value of the network voltage at the time of connection and its logarithmic decrement of the damping of the oscillating circuit is dependent.
When the oscillating circuit is switched off, the capacitive element of this oscillating circuit has a charge whose polarity and size correspond to the instantaneous value of the mains voltage at the time of switching off. In order to achieve the largest possible inrush current, the next connection of the resonant circuit is advantageously carried out in a half-wave of the mains voltage with opposite polarity, but according to the invention with a different amount of the instantaneous value of the mains voltage than the previous connection. This is illustrated in FIG. 1.
For example, the point in time t1 of the first connection coincides with the peak value of a positive half-wave (+) of the mains voltage U, the point in time of disconnection tz coincides with the peak value of the next positive half-wave; the on-time A of the resonant circuit is then a period of the mains voltage, that is, 20 ms. The second connection, which follows a pulse pause P, now only sets a small amount of time Z, e.g. B. 2 ms, after the occurrence of the peak value of the negative half-wave (-) of the mains voltage following the positive half-wave (+), which was switched off; the period T of a connection, that is the time interval between the individual connection pulses, is therefore 52 ms in the example chosen, connection period A and pulse pause P are therefore measured differently.
In the example presented, the time of connection coincides with homologous instantaneous values of the mains voltage after every five connection periods, corresponding to a period of 160 ms. During this period, the amount of the initial amplitude of the inrush current changes between a maximum value and a value equal to or close to zero, depending on the amount of the instantaneous value of the mains voltage at the time of the first connection within a series of switch-on pulses. In the example discussed, the inrush current of the resonant circuit is modulated practically 100% with (160 mus) -1 = 6.25 Hz. By choosing any switch-on periods T within the scope of this rating rule, other modulation frequencies of the inrush current can also be achieved, e.g. B. 4 Hz.
An example for the practical implementation and application of the invention is shown in FIG.
A low-voltage network 1, for example a district network of the public power supply, which is fed by a distribution transformer 2, serves as the telecontrol channel. The telecontrol task consists in transmitting the electrical status of the signal contacts of a large number of signal transmitters to a central receiving point. Volume meters serve as signal transmitters to measure the consumption of public consumer goods such as gas, water and electricity.
In Fig. 2, an electricity meter is indicated as a signal generator 3, which switches a signal contact 4 from a contact element 5 to a contact element 6 and vice versa after measuring a certain amount of consumption. The electricity meter measures the electrical work converted in a consumer 7.
The signal transmitter 3 is a transmitter device consisting of a capacitor 8 and a coil 10 having a tap 9 and an electrical series resonant circuit as well as a pulse
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assigned to encoder 11. The pulse generator 11 has z. B. three via gear pairs 12,13, 14 coupled shafts 15,16, 17 with different speeds, which in a fixed ratio to
Speed of a drive shaft 19 moved by a clockwork or, as shown, by a synchronous motor 18.
A cam disk 20, which acts on a first pulse contact 21, is attached to the shaft 15. while the shaft 16 has a cam disk 22 for actuating a second pulse contact
23 wears. Finally, two cam disks 24 and 25 are arranged on the shaft 17, the first of which controls a motor contact 26 and the second of which controls a main contact 27. The cam disc
25 can be rotated by hand with respect to the cam disk 24 by means of a slip clutch 28 or by means of an adjusting screw.
The parts just described are included in an electrical circuit as follows:
A branch line 29 is connected to the low-voltage network 1 in one phase. Of a
The phase conductor of the branch line 29 leads a connecting line 30 via the main contact 27 to the capacitor 8 of the series resonant circuit 8, 10 and from a coil end 31 of the coil 10 via the first pulse contact 21 to the contact element 5 of the signal contact 4, while the tap 9 of the coil 10 the second pulse contact 23 is connected to the contact element 6 of the signal contact 4, the switching arm of which is connected to the neutral conductor 0 of the branch line 29 via a line 32.
The signal transmitter 3 is also connected to the branch line 29, which also supplies the operating voltage for the synchronous motor 18 on the one hand via the connecting line 30, a control contact 33, a line 34 and on the other hand via a connecting line 35. The motor contact 26 is electrically parallel to the control contact 33, which is actuated by a time switch or by a ripple control receiver 36 connected to the low-voltage network 1. If a timer is arranged, it can also serve as a drive for the pulse generator 11; Time switch or remote control receiver 36 are usually only used by the remote control device described, so they also perform other tasks, e.g. B. tariff switching, switching on and off of consumers, etc., but this is not shown in the drawing.
The parts of the figure described above are arranged at the location of each signal transmitter 3; a timer or a ripple control receiver 35 can, however, serve several signal generators 3 with pulse generators 11 and then has a correspondingly large number of control contacts 33.
The part of the telecontrol device described so far works as follows:
The information to be transmitted is contained in the electrical state of the signal contact 4, it can have the form a or b, then the signal contact 4 is a changeover switch with two contact elements 5, 6. At most, the signal contact 4 has more than two contact elements; the information can then have at least as many different forms as there are contact elements. In the simplest case, the information has a content of a or zero, the signal contact 4 would then have only one contact element and an "off" position and thus correspond to a simple on-off contact.
Each contact element, e.g. B. 5.6, the signal contact 4 is connected to a pulse contact 21 or 23 assigned to it, "occupied"; the pulse generator 11 thus has as many pulse contacts and cam disks controlling them as there are occupied contact elements on the signal contact 4.
As can be seen from the drawing, the resonant circuit 8,10 is electrically in series with the signal contact 4 and one of the pulse contacts 21 and 23 and is connected to the mains voltage each time the pulse contact concerned is closed, provided that the main contact 27 is closed. As mentioned, electrical compensating oscillations S (FIG. 1) arise, which are superimposed on the network as signal currents and which are thus passed on via the network. The frequency of these compensating oscillations serving as a carrier depends on which of the two pulse contacts 21 and 23 is currently effective for signaling, since the resonant circuit 8, 10 has a different coordination for each of the pulse contacts.
The time interval T between the individual switch-on pulses and thus the duration of a switching cycle of a pulse contact is equal to the reciprocal product of the number of cams on the cam disk controlling the pulse contact and the speed of this cam disk. For each cam disc controlling a pulse contact, the reciprocal value of the product of speed and number of cams, i.e. the duration of a switch-on period T, is selected to be different and unequal to the single or multiple multiple value of half the period duration of the AC mains voltage. A value of z. B. 32 ms
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called; it could e.g.
B. but also 11 ms or 31, 25 ms or any other values, preferably those that are close to an odd multiple of half the period of the AC mains voltage and which result in modulation frequencies in the manner already described, which of interference frequencies and Network harmonics have a sufficient spacing.
When the control contact 33 closes, the drive shaft 19 of the pulse generator 11, which is designed as a rotating cam switch, is set in motion, be it by switching on the synchronous motor 18 or by z. B. electromagnetic coupling of the drive shaft 19 in a constantly running clockwork drive, which the drive shaft 19 a constant speed of z. B. granted 50 rev / sec.
Shortly after the pulse generator 11 starts, the motor contact 26 closes and holds the drive, e.g. B. the synchronous motor 18, energized for one full revolution of the cam 24.
The main contact closes a set period of time after the pulse generator 11 has started
27 for a period of time determined by the formation of the cam disk 25, e.g. B. for 1.5 sec. During this period of time, the resonant circuit 8, 10 is connected to the network by the respective pulse contact 21 or 23 in accordance with the switching state of the signal contact 4 at a time interval characteristic of the relevant pulse contact. This creates the signals of the type already described, u. in the form of a series of pulses, the length of which corresponds to the duration in which the main contact 27 is closed.
The information contained in the electrical state of the signal contact 4 now appears in
Telecontrol channel as a series of switch-on pulses with a carrier frequency characteristic of the position of the signal contact 4. The first amplitude of the switch-on pulses, which is primarily essential for the transmission, is modulated to practically 100% with a frequency that is also characteristic of the respective state of the signal contact 4. for example at 6, 25 Hz or at 4 Hz or the like, as described.
With the aid of the ripple control receiver 36 (or a time switch), the series of pulses, that is to say the information, can be called up at a desired point in time. It is possible to call up many signal generators 3 at the same time with a single ripple control command. At the moment of the call, that is when the control contact 33 closes, all pulse generators 11 start.By setting the cam disk 25 accordingly, the main contacts 27 of all started pulse generators 11 are closed at different times, so that one signal generator after the other provides its information gives,. without the information overlapping.
The chronological sequence in which the individual signal generators deliver their information is fixed and serves to identify the individual signal generators 3. A central receiving station 37 knows the time of the call of all signal generators 3 involved in the remote control device and can thus send each pulse series arriving at the receiving station assign specific signal generator 3.
To decouple the signals from the superimposed low-voltage network 1, a transmitter, for. B. a current transformer 38 is arranged with a load resistor 39, at the terminals of which, among other things, the alternating signal voltages occur. These pass through band filters 40 and 41, in which the voltages lying outside the desired frequency bands are filtered out, and through amplifiers 42 and 43 to demodulators 44 and 45. The demodulated voltage is now used in correlation systems, e.g. B. ring modulators 46 and 47 known per se are supplied.
Each of the band filters is permeable to one of the possible carrier frequencies or their sidebands generated by the modulation, while the switching frequency of each of the ring modulators 46, 47 is identical to one of the modulation frequencies generated by the pulse generator 11, so that a DC voltage is generated at the output of the ring modulator when a signal corresponding to the switching frequency of the ring modulator is present in the remote channel. This direct voltage is smoothed in an integration element 48 or 49 and fed via an amplifier 50 or 51 to a relay 52 or 53, each with a normally open contact 54 or 55.
Each of the ring modulators 46 and 47, which act as a highly selective filter in the aforementioned operating mode, advantageously consists of two correlation systems working in parallel, the contact cycle of the first system being phase-shifted by 900 compared to that of the second, so that between the signal voltage and the contact cycles of the ring modulators without Disadvantage any phase shift can occur.
A band filter for each carrier frequency and for each occupied contact element (e.g. 5; 6) of the signal contact 4 a pair of correlation systems and a relay connected downstream of them (e.g. 52; 53) must be arranged in the receiving point 37.
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On the basis of the explanations given so far, it can be seen that the switch position of all the normally open contacts 54; 55 represents a representation of the electrical state of the signal contact 4 of a very specific signal transmitter 3 of the telecontrol device at a defined time instant. This Schaltstéllung the make contacts 54; 55 is now evaluated accordingly in the receiving station 37.
Instead of the pulse generator 11 shown in the figure, other types of mechanical control devices for the pulse contacts 21, 23 are of course also conceivable; The activation pulses can also be generated by purely electronic switching elements, likewise with the aid of oscillating finger contacts or by pulse contacts controlled by tuning forks. Finally, it is also possible to give the signal contact 4 itself by means of tuning fork or vibrating tongue control properties of a pulse contact which generates different pulse repetition frequencies in each switching position by mechanically detuning the vibrating system. The described design of the receiving devices also allows manifold modifications within the framework of equivalent means.
In the foregoing it has been shown that, based on the invention, it is now possible to use very simple low-power transmitting and receiving devices to provide information about an already existing and widely ramified telecontrol channel that is exposed to numerous interfering influences, such as a distribution network for electrical energy to be transmitted reliably in any direction, in particular also against the flow direction of the network energy. Interference voltages that are within the frequency band allowed through by the band filters 40 and 41 of the receiving point 37 can only impair the transmission of information if they are also selected for the signals
Modulation frequencies are modulated and last a long enough time, e.g. B. a second what the
Probability is extremely low.
By means of a changeover switch not shown in the drawing, the pulse contact 21 could be connected to the tap 9 and the pulse contact 23 to the end 31 of the coil 10 of the series resonant circuit, for example for control purposes. This measure can of course also be used to increase the amount of information that can be transmitted.
By means of simple circuit measures, a variety of combinations can be formed with the carrier and modulation frequencies, which can be provided in any number, which of course must be taken into account when choosing the evaluation elements of the signal receiver 37, so that this simple device can be used without the aid of a coding of the transmitted Have multiple-digit numerical values transmitted in series of pulses.
In addition to tapping the coil, all known measures can of course be used to change the natural frequency of the resonant circuit 8.10, e.g. B. a change in the capacitance of the capacitor 8 or a change in an air gap in an iron core of the coil 10. The last-mentioned measure in particular provides the additional option of giving the carrier frequency a frequency modulation instead of the amplitude modulation or of using both types of modulation at the same time .
This can also be done by at least one cam disk which, according to the rules given here for achieving amplitude modulation, actuates a modulation element and thus generates a periodic detuning of the resonant circuit 8, 10 in a purely mechanical way by changing the air gap or by connecting and disconnecting electrical elements . The reference frequency of the correlation systems 46, 47 of the signal receiver 37 must then be adapted to the type of modulation used.
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